孫迎松，程小娟

（1.山東調(diào)水工程運(yùn)行維護(hù)中心煙臺(tái)分中心，山東 煙臺(tái) 264000；2.天津水科機(jī)電有限公司，天津 301900）

1 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)信息通信技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)形態(tài)也在不斷地發(fā)生變革，大量的新技術(shù)、新模式和新產(chǎn)品的應(yīng)用，推動(dòng)了產(chǎn)業(yè)數(shù)字經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展。對(duì)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展前景的普遍看好和政府、企業(yè)的戰(zhàn)略性投入，推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)迅速進(jìn)入以“端-邊-管-云”一體化布局為模式的生態(tài)構(gòu)建新階段。

泛在智慧水利低成本解決方案是借助泛在低成本物聯(lián)網(wǎng)+機(jī)器視覺(jué)+AI+智慧水利應(yīng)用平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)低成本、物聯(lián)網(wǎng)廣域覆蓋、豐富的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用、可視化大數(shù)據(jù)分析、AI 賦能、基于大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的智能輔助決策等，構(gòu)建的“物聯(lián)感知、互聯(lián)互通、科學(xué)決策、智能管理”的智慧水利建設(shè)方案。能夠?qū)崿F(xiàn)水資源綜合監(jiān)測(cè)、土壤墑情監(jiān)測(cè)、江河湖泊水利設(shè)施監(jiān)控、機(jī)房動(dòng)環(huán)監(jiān)控、智慧配電房監(jiān)控、城市供水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉應(yīng)用、城鎮(zhèn)用水調(diào)節(jié)管控、工業(yè)用水及排污水質(zhì)監(jiān)測(cè)、水利水文、旱澇、地質(zhì)等災(zāi)害在線監(jiān)測(cè)、預(yù)警及專家系統(tǒng)等應(yīng)用。

2 LoRa 無(wú)線通信技術(shù)

LoRa 是”Long Rang”的意思，是一種低功耗長(zhǎng)距離無(wú)線通信技術(shù)，主要面向物聯(lián)網(wǎng)（IoT）或 M2M等應(yīng)用，是低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）一種重要的無(wú)線傳輸技術(shù)。采用擴(kuò)頻調(diào)制來(lái)建立遠(yuǎn)距離傳輸鏈路。傳統(tǒng)的無(wú)線傳輸方式使用（FSK）頻移鍵控調(diào)制作為物理層，這種調(diào)制方式大大的降低了功耗。而LoRa采用線性調(diào)頻擴(kuò)頻調(diào)制方式，它不僅保持FSK 調(diào)制低功耗特性，同時(shí)增加了無(wú)線通信距離。由于線性擴(kuò)頻技術(shù)的長(zhǎng)距離傳輸和抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在軍事領(lǐng)域和空間通信領(lǐng)域，而LoRa 技術(shù)是首個(gè)用于商業(yè)用途的低成本實(shí)現(xiàn)。

LoRa 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是遠(yuǎn)距離傳輸能力。LoRa 解調(diào)信噪比達(dá)到-20 dB 的信號(hào)，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)（FSK）技術(shù)，其覆蓋可達(dá)到數(shù)百平方公里范圍。通常無(wú)線傳輸距離受環(huán)境或障礙物影響很大，惡略的環(huán)境或混凝土建筑都會(huì)降低無(wú)線傳輸距離，但LoRa 和LoRaWAN 的鏈路預(yù)算優(yōu)于其他任何標(biāo)準(zhǔn)化的通信技術(shù)。LoRa 無(wú)線技術(shù)主要優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）遠(yuǎn)距離：在空曠地區(qū)傳輸距離可以高達(dá)20 km以上，甚至更遠(yuǎn)。

（2）抗干擾：在接近城市的郊區(qū)傳輸距離也能達(dá)到10～15 km，穿透能力更強(qiáng)，受建筑物影響更小。

（3）低成本：不需要額外的頻譜費(fèi)用，模塊成本低，通過(guò)簡(jiǎn)單搭建部署以后就可使用，也不需要后續(xù)的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。

（4）低功耗：LoRaWAN 協(xié)議專門為低功耗而開(kāi)發(fā)，電池壽命可達(dá)多年。

3 泛在智慧水利解決方案研究

泛在智慧水利低成本解決方案突破傳統(tǒng)模式下組網(wǎng)復(fù)雜、建設(shè)及運(yùn)營(yíng)投資高昂、應(yīng)用簡(jiǎn)單、只能在局部或小范圍應(yīng)用的水利、水文、地質(zhì)災(zāi)害物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)限制，通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)設(shè)施資源薄弱條件下的智慧水利低成本物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，構(gòu)建端-邊-管-云和人-機(jī)-料-物-環(huán)，結(jié)合業(yè)界領(lǐng)先的水利、水文、地質(zhì)等災(zāi)害在線監(jiān)測(cè)、預(yù)警及專家輔助決策系統(tǒng)。泛在智慧水利低成本解決方案主要內(nèi)容有：

（1）低成本泛在物聯(lián)網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

基于LoRa 無(wú)線泛在物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了低成本建設(shè)，減少了運(yùn)營(yíng)費(fèi)用的投資，在水系全流域網(wǎng)絡(luò)廣泛覆蓋中10 年運(yùn)營(yíng)投資折算下來(lái)每公里僅2 000 元，在大面積水利行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡(luò)廣泛覆蓋折算下來(lái)每公里僅1 000 元。

（2）供電困難條件下的低成本智慧水利物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控應(yīng)用

基于LoRa 泛在連接網(wǎng)的智慧水利物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)具有靈活組態(tài)，應(yīng)用形式豐富多樣，所有變送器、傳感器等裝置都支持電池或太陽(yáng)能供電，適應(yīng)在河流、山區(qū)等供電困難條件下的智慧水利場(chǎng)景應(yīng)用。

（3）泛在智慧水利解決方案的應(yīng)用

泛在智慧水利低成本解決方案可應(yīng)用于水位信息、水質(zhì)信息、流速信息、溫度信息、土壤信息、蒸發(fā)信息等水文監(jiān)測(cè)；水質(zhì)信息、水土保持、排污口等水環(huán)境監(jiān)測(cè)；水庫(kù)、閘門、泵站、大壩、堤防、取水口等工程運(yùn)行監(jiān)控；崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)；基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、AI、信息整合等給災(zāi)害研究、防治與預(yù)警、決策提供科學(xué)智慧的手段與工具的智慧水利應(yīng)用平臺(tái)；基于泛在物聯(lián)網(wǎng)的人員定位、設(shè)備資產(chǎn)管理等。助力水利、水文及地質(zhì)災(zāi)害實(shí)現(xiàn)全面的數(shù)字化管理轉(zhuǎn)型。提高智能化管理水平。

4 泛在智慧水利低成本建設(shè)方案

泛在智慧水利低成本建設(shè)方案是基于物聯(lián)網(wǎng)理念的信息化解決方案，其核心就是把傳感器嵌入或裝備到水資源、水文、水利設(shè)施中，并且被普遍連接，形成“感知物聯(lián)網(wǎng)”，然后利用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，通過(guò)全面感知、無(wú)線通信、自主診斷、場(chǎng)景應(yīng)用等方面的結(jié)合，構(gòu)建成全方位的水體生命周期管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)政府管理機(jī)構(gòu)、企業(yè)和個(gè)體與水物理系統(tǒng)的整合?；贚oRa 通信的智慧水利物聯(lián)網(wǎng)解決方案選用可規(guī)模化部署、低功耗、低成本、高穩(wěn)定性的一系列智能監(jiān)測(cè)設(shè)備，通過(guò)LoRa 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，在無(wú)需布線的情況下，快速實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的部署，實(shí)現(xiàn)表計(jì)遠(yuǎn)程集抄，壓力、液位、流量等參數(shù)的監(jiān)測(cè)，井蓋安全監(jiān)測(cè)，河流河道水質(zhì)監(jiān)測(cè)，水文雨情監(jiān)測(cè)，泵站閘站監(jiān)控等。泛在智慧水利低成本建設(shè)方案如圖1 所示。

圖1 泛在智慧水利低成本建設(shè)方案

為了解決LoRa 通信帶寬不足的缺點(diǎn)，泛在智慧水利低成本建設(shè)方案以LoRa 通信為主，靈活結(jié)合NB-IoT、4G、5G 或光纖網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建寬窄帶一體的泛在智慧水利通信傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。針對(duì)存量和行業(yè)特殊傳感器，利用通用傳感器連接器，實(shí)現(xiàn)上千種各種傳感器、執(zhí)行器的快速接入。通用傳感器連接器具有數(shù)據(jù)采集（類PLC）、自供能、DTU 和野外環(huán)境使用的高防護(hù)功能。一體化集成的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了設(shè)備、降低了成本，能夠適配智慧水利絕大多數(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景。針對(duì)智慧水利日常巡檢管理、外包隊(duì)伍施工作業(yè)監(jiān)管、野外資產(chǎn)防盜防破壞保護(hù)等需求，支持GPS+藍(lán)牙定位方案，解決智慧水利現(xiàn)場(chǎng)室內(nèi)、室外場(chǎng)景的人員及資產(chǎn)定位需求。

基于LoRa 通信的智慧水利物聯(lián)網(wǎng)終端可以使用鋰電池或簡(jiǎn)單太陽(yáng)能裝置供電，使用電池供電的可連續(xù)使用2 年以上，電池電量耗盡后可更換電池繼續(xù)使用，支持低電量告警。自供能的終端每幾分鐘定時(shí)采集一次數(shù)據(jù)，固定周期上報(bào)自己的工作狀態(tài)和采集參數(shù)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到報(bào)警狀態(tài)時(shí)，立即自動(dòng)發(fā)送報(bào)警信息。自供能終端支持監(jiān)測(cè)頻率可調(diào)，易安裝、低功耗，完全滿足智慧水利低成本建設(shè)的需要。以汛期河流水位監(jiān)測(cè)應(yīng)用裝置為例，系統(tǒng)工作原理如圖2 所示，通過(guò)在河流堤壩旁處安裝一臺(tái)自供能水位監(jiān)測(cè)裝置，非汛期8 h 采集一次數(shù)據(jù)，汛期每15 min 采集一次江面水位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過(guò)LoRa 采集箱傳送到LoRa 基站，最終在應(yīng)用端顯示和生成曲線，便于管理人員隨時(shí)查看水位數(shù)據(jù)并及時(shí)做出應(yīng)急處理預(yù)案。

圖2 自供能水位監(jiān)測(cè)裝置工作原理

在水利信息化中視頻監(jiān)控傳輸水利圖像的功能起到重要作用，真實(shí)地反映水文情況。目前在水文監(jiān)測(cè)中視頻監(jiān)控技術(shù)主要停留在模擬視頻監(jiān)控技術(shù)，僅僅是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)水情、雨情等圖像視頻采集錄像與傳輸存儲(chǔ)。這種視頻監(jiān)控系統(tǒng)著重硬件信息的采集，而沒(méi)有建立硬件之間的映射關(guān)系。沒(méi)有發(fā)揮出視頻圖像信息的內(nèi)部?jī)r(jià)值。泛在智慧水利建設(shè)方案采用機(jī)器視覺(jué)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將人工智能的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)引入到水利物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)中，首次將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、機(jī)器人視覺(jué)、人工智能等技術(shù)應(yīng)用到水利行業(yè)的相關(guān)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)和圖像信息分析融合，建立一種可視化的操作終端，通過(guò)在水文監(jiān)測(cè)地區(qū)、大型水庫(kù)安裝實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備和數(shù)據(jù)傳感器，即可對(duì)可能或正在發(fā)生的汛情、險(xiǎn)情、災(zāi)情及水體污染進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)視和分析報(bào)警，充分發(fā)揮人工智能技術(shù)在水利信息化中的作用，形成監(jiān)測(cè)及決策支持系統(tǒng)。

針對(duì)水利管理部門已建的智慧水利孤島系統(tǒng)，泛在智慧水利低成本建設(shè)方案可實(shí)現(xiàn)集成及被集成，實(shí)現(xiàn)技術(shù)資產(chǎn)的最大化利用。

5 結(jié)語(yǔ)

泛在智慧水利低成本建設(shè)方案采用LoRa 無(wú)線通信，傳輸距離遠(yuǎn)、覆蓋范圍廣、穿透能力強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)快速、低成本的網(wǎng)絡(luò)部署和業(yè)務(wù)應(yīng)用；通用傳感器連接器具備多種供電方式、多種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，可靈活接入智慧水利各類傳感器，適配各種各樣的智慧水務(wù)碎片化的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景；通過(guò)低成本泛在網(wǎng)絡(luò)、簡(jiǎn)化設(shè)備部署的自供能傳感器終端等創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了通信網(wǎng)絡(luò)、供電等基礎(chǔ)設(shè)施資源薄弱條件下的智慧水利低成本建設(shè)；智慧水利云平臺(tái)具有超強(qiáng)的PaaS 能力，功能完善，API 接口開(kāi)放，可與多方設(shè)備無(wú)縫對(duì)接。同時(shí)，可以通過(guò)Web 平臺(tái)、手機(jī)APP、短信、電話等方式立體報(bào)警，將各種警情信息及時(shí)推送給相關(guān)人員。

泛在智慧水利低成本建設(shè)方案將使水利管理部門獲取高精度、高價(jià)值和多維度的大規(guī)模水利數(shù)據(jù)，通過(guò)構(gòu)建各部門、各行業(yè)的信息互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合，可充分釋放數(shù)據(jù)價(jià)值，刺激綜合應(yīng)用，掌握行業(yè)規(guī)律，提升社會(huì)治理的效率和民生服務(wù)質(zhì)量。

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